全固体電池の高出力・高エネルギー密度化に向けた硫化物リチウム導電体の探索と設計

全固态电池高输出高能量密度硫化物锂导体的寻找与设计

• 批准号: 16J01204
• 负责人: 堀 智
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2016
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2016-04-22 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16J01204/
• 关键词: 全固体電池; リチウムイオン導電体; 硫化物; 硫化物系リチウムイオン導電体; 結晶性硫化物; リチウムイオン電池; 酸硫化物

Liイオン導電性を示す無機固体は全固体型の次世代Liイオン電池への応用が期待される物質である。しかし、他のイオン導電体の無機材料と同様、設計指針は明らかでない。イオン導電率を向上させるために膨大な数の構造・組成の探索が必要であり、新材料の創出は試行錯誤に頼らざるを得ない。一方、近年の計算機の処理速度向上、及びLi含有化合物に関する実験データの弛まぬ蓄積のおかげで、膨大な実験データを計算科学に基づいて利用した、効率的かつ高速な材料創出が現実味を帯びてきた。本研究は合成実験と計算科学の手法を組み合わせ、Liイオン導電体の設計指針の獲得と新物質の合成を目的とした。合成実験はLi-P-S-O系を対象に行い、硫化物への酸素添加効果を検証した。これまでのLiイオン導電体探索は主に酸化物系と硫化物系で別々に進展してきたが、二つの間に位置する酸硫化物のグループは、より多様な組成が可能な今後の探索領域の一つである。調べた限り先行研究には報告例が無い形のX線回折図形が得られ、Li-P-S-O系に未知構造を持つ物質が存在することが示唆された。この未知構造の物質の回折強度は同様組成の別の構造に比べて異常に高い。この理由を調べることで他の構造を持つ試料の結晶性を高める方法が見つかる可能性がある。また、未知構造を持つ試料のイオン導電率は0.8-1.4 mS/cmであり、他の構造を持つ試料よりも高い傾向を示した。未知構造を構造解析により決定して探索の起点とすることで、さらに高いイオン導電率を示す物質が得られると期待される。酸素導入が構造に与える影響を調べるために第一原理計算を利用し、基底状態での電子の全エネルギーの差を、異なる構造型間において求めた。酸素導入により硫化物の相対的な構造安定性が変わることが示唆され、Liイオン導電性が期待できる構造の実現性予測へ前進した。

表现出锂离子电导率的无机固体预计将应用于全稳态的下一代锂离子电池。但是，像离子导体的其他无机材料一样，设计指南尚不清楚。为了提高离子电导率，需要大量的结构和组成，并且必须依靠反复试验。同时，由于最近计算机的处理速度的提高以及对含LI的化合物的实验数据的持续积累，使用大量基于计算科学的实验数据的材料的有效而快速地创造了实验数据的持续积累已成为现实。这项研究将合成实验与计算科学技术相结合，旨在获取锂离子导体的设计准则并合成新材料。合成实验是在LI-P-S-O系统上进行的，并验证了氧添加对硫化物的影响。以前对液体导体的搜索主要是在氧化物和硫化物系统之间分别进展，但是位于两者之间的氧硫化物组是未来搜索区域之一，可以实现更多样化的组成。从我们研究的内容来看，在先前的研究中尚未报告的X射线衍射模式，这表明LI-P-S-O系统中存在未知结构的物质。未知结构物质的衍射强度异常高于其他相似组成的结构的衍射强度。通过检查此原因，可以发现方法可以通过其他结构增加样品的结晶度。此外，未知结构的样品的离子电导率为0.8-1.4 ms/cm，高于其他结构的样品的离子电导率。通过通过结构分析确定未知的结构，并使用搜索起点来确定表现出更高离子电导率的材料。第一原理计算用于研究氧引入对结构的影响，并且在不同的结构类型之间确定了基态电子总能量的差异。据建议，氧气引入将改变硫化物的相对结构稳定性，并进步以预测可以预期锂离子电导率的结构的可行性。

项目成果

Sulfide superionic conductors for next-generation batteries to store renewable energy

用于下一代电池存储可再生能源的硫化物超离子导体

• 发表时间: 2016
• 作者: Y. Sun;K. Suzuki;K. Hara;S. Hori;T. Yano;M. Hara. M. Hirayama;R. Kanno;S. Hori and R. Kanno;S. Hori and R. Kanno
• 通讯作者: S. Hori and R. Kanno

Oxygen substitution effects in Li10GeP2S12 solid electrolyte

• DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.05.100
• 发表时间: 2016-08-30
• 期刊: JOURNAL OF POWER SOURCES
• 影响因子: 9.2
• 作者: Sun, Yulong;Suzuki, Kota;Kanno, Ryoji
• 通讯作者: Kanno, Ryoji

Electrochemical properties of a solid electrolyte Li9.42Si1.02P2.1S9.96O2.04

固体电解质Li9.42Si1.02P2.1S9.96O2.04的电化学性能

• 发表时间: 2017
• 作者: Y. Sun;K. Suzuki;K. Hara;S. Hori;T. Yano;M. Hara. M. Hirayama;R. Kanno;S. Hori and R. Kanno
• 通讯作者: S. Hori and R. Kanno